A pórusszerkezet oxidatív szabályozása szénhordozós katalizátorokban PGM - GM alapján
1. Eljárás szénhordozós katalizátor előállítására, amely eljárás a következőket tartalmazza:
Első széntartalmú katalizátor előállítása, amelynek platina-csoportos hordozófémje van az első szénhordozón, az első szénhordozónak az első átlagos pórusátmérője és az első átlagos felülete van; és
Az első széntartalmú katalizátort oxigéntartalmú gázzal érintkeztetjük, körülbelül 250 ° C-nál alacsonyabb hőmérsékleten, előre meghatározott ideig, hogy egy második széntartalmú katalizátort hozzunk létre, a második szénhordozós katalizátor egy megváltozott szénhordozó, amelynek második átlagos pórusátmérője van, és egy második átlagos felület, ahol a második átlagos pórusátmérő nagyobb, mint az első átlagos pórusátmérő, és ahol a második átlagos felület kisebb, mint az első átlagos pórusátmérő.
2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az első átlagos pórusátmérő kevesebb, mint 70 angström, a második átlagos pórusátmérő pedig nagyobb, mint 70 angström.
3. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a második átlagos felület kevesebb, mint 500 m2/g.
4. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az első szénhordozónak első átlagos pórustérfogata van, a megváltozott szénhordozónak pedig egy második átlagos pórustérfogata van, a második átlagos pórustérfogat kisebb, mint az első átlagos pórustérfogat.
5. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a platina fémcsoportot a következő csoportból választjuk: Pt, Pd, Au, Ru, Ir, Rh és Os.
6. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az első szénhordozó egy szénpor.
7. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az első szénhordozó egy szénpor.
8. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az első szénhordozó részecskéket tartalmaz, amelyek nanorodok, nanocsövek, nanorakatok, elektromosan nem vezető részecskék, gömb alakú részecskék és ezek kombinációi közül vannak kiválasztva.
9. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az első szén-hordozó egy nagy felületű szén (HSC) por.
10. Szénhordozós katalizátor, amelyet az 1. igénypont szerinti eljárás szerint állítunk elő.
Legalább egy szempontból a jelen találmány javított teljesítményű üzemanyagcellák katalizátorára vonatkozik.
Az üzemanyagcellákat számos alkalmazásban elektromos energiaforrásként használják. Különösen azt javasolják, hogy a belső égésű motorok helyettesítésére az üzemanyagcellákat használják az autókban. Az anód és a katód közötti iontranszporthoz egy gyakran használt üzemanyagcellás kialakítás szilárd polimer elektrolit membránnal ("Solid Polymer Electrolyte, SPE") vagy protoncserélő membránnal ("Proton Exchange Membrane, PEM") működik.
A nagy felületű koromot széles körben használják az üzemanyagcellás katalizátorok hordozóiként. Az ezt alkotó részecskékben a nagy felületű koromnak gyakran nagy mennyiségű belső mikroporusa van (15 nm).
A katalizátor hosszú élettartama, különös tekintettel a nagy teljesítmény fenntartására, az egyik legnagyobb kihívás, amely az autóipar üzemanyagcellás technológiájának fejlesztése előtt áll. A platina vagy platina ötvözet részecskék az oldódás és az azt követő Ostwald-érés, valamint a részecskék migrációja és koaleszcenciája miatt elveszítik elektrokémiai felületüket. A szénhordozó elektrokémiai oxidációja növeli ezt a részecskemigrációt és az azt követő teljesítményvesztést nagy teljesítmény mellett. A szén-hordozó oxidációja az elektróda vastagságának és az elektród porozitásának lebomlását is okozza, megakadályozva ezzel a reaktáns transzportját és az azt követő energiaveszteséget. Ezért a szakterületen jártas szakemberek számára elterjedt gyakorlat, hogy elkerüljék a szénhordozó oxidációját.
Ennek megfelelően szükség van tartósabb katalizátor rendszerekre az üzemanyagcellás katalizátor rétegek számára.
A jelen találmány megoldja a technika állásának egy vagy több problémáját azáltal, hogy legalább egy kiviteli alakban szénnel támogatott katalizátort biztosít az üzemanyagcellák alkalmazásához. A széntartalmú katalizátor platina csoportot és sok pórusú szénhordozót tartalmaz. A sok pórus átlagos pórusátmérője nagyobb, mint kb. 50 angström. A platina csoport fém a szénhordozó fölött helyezkedik el, vagy a szénhordozón hordozódik.
RÖVID LEÍRÁS A RAJZOKRÓL
Az 1. ábra az anód- és/vagy katódkatalizátor-rétegekben szénhordozós katalizátorokat tartalmazó üzemanyagcella sematikus keresztmetszete;
A 2. ábra egy széntartalmú PGM katalizátor oxidációjának sematikus ábrázolása;
A 3A. Ábra a szénhordozós katalizátorok levegőben történő egy órás hőkezelésének súlyveszteségét mutatja;
A 3B. Ábra a 230 ° C-on végzett hőkezelés súlycsökkenésének grafikonját mutatja a levegőben lévő szén-hordozós katalizátorok idő függvényében;
A 4A. Ábra egy platina/kobalt hordozós katalizátor TEM mikrográfiája a levegőben történő hőkezelés előtt 250 ° C-on;
A 4B. Ábra egy platina/kobalt hordozós katalizátor TEM mikrográfiája a levegőben történő hőkezelés előtt 250 ° C-on;
A 4C. Ábra egy platina/kobalt-hordozós katalizátor mikroszkópos TEM képeit mutatja a 250 ° C-os levegőben végzett hőkezelés után;
A 4D. Ábra platina/kobalt-hordozós katalizátor mikroszkópos TEM képeit mutatja, miután levegőben 250 ° C-on hőkezelték;
Az 5A. Ábra az abszorbeált térfogat grafikonja, amelyet a széntartalmú katalizátorok relatív nyomásával szemben ábrázoltunk;
Az 5B. Ábra a széntartalmú katalizátorok grafikonja, amely a pórustérfogat logaritmusához viszonyított abszorbeált térfogat pórusátmérő származékának származékát tartalmazza;
Az 5C. Ábra az 5A és 5B BET eredményeit összefoglaló táblázatot mutat; és
A 6. ábra az üzemanyagcellák feszültségének grafikonját mutatja a hőkezelt és nem hőkezelt platina/kobalt hordozós katalizátorok áram-sűrűségéhez viszonyítva.
Most részletesen hivatkozunk a jelen találmány jelenleg előnyben részesített készítményeire, kiviteli alakjaira és módszereire, amelyek bemutatják a találmány gyakorlati megvalósításának jelenleg a feltalálók által ismert legjobb módjait. Az adatok nem feltétlenül méretarányosak. Meg kell azonban érteni, hogy a bemutatott kiviteli alakok csupán példák a találmányra, amely különféle és alternatív formákban is megvalósítható. Ezért az itt ismertetett konkrét részleteket nem korlátozásokként kell értelmezni, hanem csupán a találmány különféle szempontjainak reprezentatív alapjaként, vagy mint reprezentatív alapként a szakterületen jártas szakemberek különféle felhasználásának megtanításához.
Azt is meg kell érteni, hogy a találmány nem korlátozódik az alábbiakban ismertetett konkrét kiviteli alakokra és módszerekre, mivel bizonyos komponensek vagy körülmények természetesen változhatnak. Ezenkívül az itt használt terminológia csak a jelen találmány különböző megvalósítási módjainak leírására szolgál, és semmiképpen sem tekinthető korlátozónak.
Azt is meg kell jegyezni, hogy a specifikációban és a csatolt igénypontokban használt „a” és „der/die/das” egyes alakok tartalmazzák a többes számú hivatkozást is, hacsak a szövegkörnyezet nem egyértelműen jelzi az ellenkezőjét . Például a szinguláris komponensre való hivatkozás több komponenst tartalmaz.
Egy másik megvalósítási mód szerint a fent felsorolt szénnel hordozott katalizátorokat tintakompozícióban használják üzemanyagcellás katalizátorrétegek előállítására az üzemanyagcella-technológia területén jártas szakemberek által ismert módszerekkel. Az egyik megvalósítási mód szerint a festékkészítmény a széntartalmú katalizátorokat 1-10 tömeg% mennyiségben tartalmazza a festékkészítmény teljes tömegére vonatkoztatva. Az egyik megvalósítási mód szerint a tintakompozíció ionomereket (például perfluor-szulfonsav-polimert, például NAFION®) tartalmaz a katalizátorkészítmény tömegének körülbelül 5 és körülbelül 40 tömeg% közötti mennyiségében. A tintakompozíció fennmaradó része általában oldószer. Az alkalmazható oldószerek közé tartoznak, de nem kizárólag, alkoholok (például propanol, etanol és metanol), víz vagy víz és alkoholok keveréke. Az oldószerek általában szobahőmérsékleten elpárolognak.
Az alábbi példák szemléltetik a találmány különböző megvalósítási módjait. A szakterületen jártas szakemberek sok változatot ismernek fel a találmányban és az igénypontok oltalmi körén belül.
A 3A. Ábra a szénhordozós katalizátorok levegőben történő egyórás hőkezelésének súlyveszteségét mutatja. A grafikon kevesebb mint 6 százalékos tömegveszteséget mutat a platina-hordozós katalizátorok és a platina/kobalt-hordozós katalizátorok esetében, körülbelül 100 ° C és 250 ° C közötti hőmérsékleten. Meg kell jegyezni, hogy ez a súlycsökkenés magában foglalja az adszorbeált víz és az illékony vegyületek, például a felületaktív anyagok eltávolítását, és nem minden a fogyás a szén-oxidációnak köszönhető. A 3B. Ábra a 230 ° C-on végzett hőkezelés súlyveszteségének grafikonját mutatja a levegőben lévő szén-hordozós katalizátorok idő függvényében. A platina-hordozós katalizátorok és a platina-/kobalt-hordozós katalizátorok esetében is jelentős súlyveszteség figyelhető meg 5 óra elteltével.
A 4A-B. Ábrán egy platina/kobalt-hordozós katalizátor mikroszkópos TEM képei láthatók a 250 ° C-os levegőben történő hőkezelés előtt. A 4C-D egy platina/kobalt-hordozós katalizátor mikroszkópos TEM-képét mutatja 250 ° C-os levegőben történő hőkezelés után. A mikroszkópos TEM képek nem mutatnak jelentős változást a hőkezelés után.
Az 5A-C. Ábra a BET abszorpciós tesztek eredményeit mutatja be hőkezelt és nem hőkezelt szénhordozós katalizátorok esetében. Az 5A. Ábra az elnyelt térfogat grafikonja, amelyet a relatív nyomáshoz viszonyítva ábrázolunk Az 5B. Ábra a felvett térfogat deriváltjának grafikonja a pórustérfogat logaritmusához viszonyítva, a pórusátmérőhöz viszonyítva ábrázolva. Az 5C. Ábra a BET eredményeit összefoglaló táblázatot mutat be. Megfigyelhető, hogy a katalizátor tömegének kis változásával (néhány százalékos veszteség) az átlagos pórusátmérő nő az oxidációs kezeléssel, miközben a felület csökken.
A 6. ábra a hőkezelt és nem hőkezelt platina/kobalt hordozós katalizátorok tüzelőanyag-cellája feszültségének és áramsűrűségének grafikonját mutatja. Megfigyelhető, hogy az oxidatív módon módosított katalizátorok nagy teljesítményűek. Ha azonban az oxidációs kezelés túl kiterjedt, ez hátrányosan befolyásolhatja a teljesítményt.
Noha a példakénti kiviteli alakokat a fentiekben ismertettük, ezek a kiviteli alakok nem a találmány összes lehetséges konfigurációjának leírására szolgálnak. Inkább a specifikációban használt szavakat használják leírásként, és nem korlátozásként. Meg kell érteni, hogy különféle változtatásokat lehet végrehajtani anélkül, hogy eltérnénk a találmány szellemétől és terjedelmétől. Ezenkívül a különféle kiviteli alakok jellemzői kombinálhatók a találmány további kiviteli alakjainak kialakításához.